無線干擾信號(hào)對(duì)CTCS—3列控的影響

劉慶新

摘要：通過對(duì)承載CTCS-3級(jí)列控信息的GSM-R系統(tǒng)無線信號(hào)受到干擾的原因分析，闡述了GSM-R系統(tǒng)設(shè)備的穩(wěn)定對(duì)于CTCS-3 級(jí)列控系統(tǒng)傳輸?shù)闹匾浴?/p>

關(guān)鍵詞：GSM-R系統(tǒng)；CTCS-3 系統(tǒng)；無線信號(hào)干擾

ABSTRACT：Through the analysis of the reasons for the interference of wireless signals of GSM-R system carrying CTCS-3 level train control information，the importance of the stability of GSM-R system equipment for the transmission of CTCS-3 level train control system is expounded.

Key words：GSM-R system，CTCS-3 system，wireless signal interference

1 GSM-R系統(tǒng)與CTCS系統(tǒng)簡介

1.1 GSM-R系統(tǒng)簡介

GSM-R（GSM for Railway）是基于GSM技術(shù)，專為鐵路通信設(shè)計(jì)的數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)，為鐵路應(yīng)用提供綜合通信服務(wù)的平臺(tái)，不僅實(shí)現(xiàn)無線列車調(diào)度、鐵路區(qū)間移動(dòng)通信等語音功能，同時(shí)還承擔(dān)了車次號(hào)校核信息、調(diào)度命令、列控信息傳送等無線數(shù)據(jù)通信任務(wù)，在鐵路安全生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。作為承載CTCS系統(tǒng)傳輸?shù)臒o線通信網(wǎng)絡(luò)，可在CTCS系統(tǒng)中連續(xù)傳送列車控制命令信息實(shí)現(xiàn)車地之間雙向、大容量的數(shù)據(jù)通信，體現(xiàn)通信信號(hào)一體化的特點(diǎn)，

GSM-R系統(tǒng)包括網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)（NSS）、基站子系統(tǒng)（BSS）、運(yùn)行和業(yè)務(wù)支撐子系統(tǒng)（OSS /BSS）和終端設(shè)備四個(gè)部分。其中，網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)包括移動(dòng)交換子系統(tǒng)（SSS）、移動(dòng)智能網(wǎng)（IN）子系統(tǒng)和通用分組無線業(yè)務(wù)（GPRS）子系統(tǒng)。其中位于基站子系統(tǒng)（BSS）中的BTS（Base Transceiver Station基站發(fā)射接收機(jī)）是發(fā)射和接收GSM-R系統(tǒng)的無線信號(hào)的核心設(shè)備。

1.2 CTCS系統(tǒng)簡介

CTCS是（Chinese Train Control System）的英文縮寫，為中國列車運(yùn)行控制系統(tǒng)。CTCS系統(tǒng)有兩個(gè)子系統(tǒng)，即車載子系統(tǒng)和地面子系統(tǒng)。CTCS根據(jù)功能要求和配置劃分應(yīng)用等級(jí)，分為0～4級(jí)。CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)是基于GSM-R無線通信實(shí)現(xiàn)車-地信息雙向傳輸，無線閉塞中心（RBC）生成行車許可，軌道電路實(shí)現(xiàn)列車占用檢查，應(yīng)答器實(shí)現(xiàn)列車定位，并具備CTCS-2級(jí)功能的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)。

CTCS-3系統(tǒng)分兩個(gè)子系統(tǒng)，即車載子系統(tǒng)和地面子系統(tǒng)。車載子系統(tǒng)包括無線通信（GSM-R）車載設(shè)備、測(cè)速模塊、設(shè)備維護(hù)記錄單元和車載安全計(jì)算機(jī)。地面子系統(tǒng)由以下部分組成：應(yīng)答器、軌道電路、GSM-R無線通信網(wǎng)絡(luò)（不屬于CTCS設(shè)備，但是是重要組成部分）及無線閉塞中心（RBC）。其中RBC 系統(tǒng)是基于故障-安全計(jì)算機(jī)平臺(tái)的信號(hào)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)能根據(jù)所控制列車的狀態(tài)及其控制范圍內(nèi)的軌道占用、列車進(jìn)路狀態(tài)、臨時(shí)限速命令、災(zāi)害防護(hù)和線路參數(shù)等信息，產(chǎn)生針對(duì)所控列車的行車許可（MA）控制信息，并通過 GSM-R 無線通信系統(tǒng)傳輸給車載子系統(tǒng)，保證其管轄范圍內(nèi)列車的運(yùn)行安全。

2 GSM-R系統(tǒng)與CTCS-3系統(tǒng)的關(guān)系

由于GSM-R系統(tǒng)承載著地面無線閉塞中心RBC向車載列控設(shè)備（OBU）發(fā)送行車許可 MA、列車限速信息、線路坡度、軌道條件、進(jìn)路適宜性等參數(shù)信息以及 OBU 通過 GSM-R系統(tǒng)向 RBC發(fā)送列車位置和列車狀態(tài)等信息的重要業(yè)務(wù)。所以當(dāng)GSM-R系統(tǒng)無線通信傳輸質(zhì)量下降、設(shè)備故障以及無線信號(hào)受到外界干擾而導(dǎo)致的列控信息通信中斷時(shí)長超出了 CTCS-3 級(jí)系統(tǒng)中車-地通信中斷定時(shí)器所能允許的最大時(shí)長約18秒時(shí)，列控系統(tǒng)由CTCS-3 級(jí)降到 CTCS-2 級(jí)，從由GSM-R網(wǎng)絡(luò)控車到傳統(tǒng)的軌道控車，列車速度由原來的350Km/h降到300Km/h以下，造成列車晚點(diǎn)，打亂了正常的行車順序，影響鐵路系統(tǒng)運(yùn)行效率甚至威脅列車行車安全。鑒于GSM-R系統(tǒng)不良造成列控信息的通信中斷屬于嚴(yán)重的故障，因此維護(hù)好設(shè)備質(zhì)量，克服外界干擾是保證GSM-R系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。

3 無線干擾信號(hào)對(duì)CTCS-3的級(jí)列控影響

3.1 各種干擾信號(hào)對(duì)CTCS-3 級(jí)列控的影響

1）來自基站設(shè)備BTS內(nèi)部的干擾

基站設(shè)備中主振器、振蕩器、調(diào)制器、倍頻器、放大器等部件在工作時(shí)都會(huì)產(chǎn)生熱噪聲，這些噪聲一旦被調(diào)制就會(huì)形成干擾信號(hào)發(fā)射出去會(huì)對(duì)基站的覆蓋效果帶來影響。

2）外部信號(hào)干擾

（1）強(qiáng)信號(hào)干擾：這種干擾是指合法的信號(hào)占用合法的頻率，由于功率過強(qiáng)造成鄰近頻段接收設(shè)備阻塞。通過GSM-R系統(tǒng)的工作頻段可以看出，由于中國聯(lián)通 800MHz的 CDMA 系統(tǒng)基站發(fā)射頻段為 870-880MHz，鐵路GSM-R 系統(tǒng)基站接收頻段為885-889MHz，兩系統(tǒng)之間只有 5 MHz保護(hù)帶，會(huì)發(fā)生CDMA系統(tǒng)基站和 直放站的發(fā)射造成對(duì)GSM-R系統(tǒng)基站和直放站的接收產(chǎn)生有害干擾。

（2）固定頻率的干擾：這種干擾頻率幾乎不變，或小范圍抖動(dòng)，上下行都可能存在。其干擾信號(hào)呈現(xiàn)出穩(wěn)定和頻譜干凈的特性，具有固定頻率的干擾源工作于GSM-R移動(dòng)通信頻段。由于中國鐵路GSM-R 頻段與中國移動(dòng) 900MHz增補(bǔ)頻段公用，所以中國移動(dòng)900MHz增補(bǔ)頻段的信號(hào)源是主要干擾之一。

3）不可預(yù)測(cè)信號(hào)干擾：目前在900MHz頻段的GSM系統(tǒng)中存在射頻直放 站轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)干擾、有線電視倍增器漏泄雜波干擾、微波及對(duì)講機(jī)系統(tǒng)雜波干擾等三種常見類型的不可預(yù)測(cè)干擾。由于移動(dòng)通信運(yùn)營商大量采用寬頻段射頻轉(zhuǎn)發(fā)直放站系統(tǒng)，會(huì)接收到不 同移動(dòng)通信 網(wǎng)絡(luò)基站的射頻信號(hào)，并經(jīng)過放大后轉(zhuǎn)發(fā)，有可能將 與GSM-R網(wǎng)絡(luò)相 同或相鄰的射頻信號(hào)放大后，造成對(duì)GSM-R 網(wǎng)絡(luò)的干擾。

4）非法信號(hào)的干擾：也稱為人為干擾是指非法運(yùn)營者在沒有得到許可的情況下，違反國家無線電管理?xiàng)l例，私自使用與GSM-R相同的頻段造成的干擾。

5）來自互調(diào)信號(hào)的干擾

指當(dāng)有多個(gè)不同頻率的信號(hào)加到非線性器件上時(shí)，非線性變換將產(chǎn)生許多組合頻率信號(hào)，其中一部分可能落到接收機(jī)通帶內(nèi)，成為對(duì)有用信號(hào)的干擾。產(chǎn)生互調(diào)干擾的原因很多，主要有以下3個(gè)方面：

（1）在非線性部件，各輸入信號(hào)混頻產(chǎn)生互調(diào)成分。

（2）輸入信號(hào)頻率必須滿足其組合頻率能落到接收機(jī)通帶之內(nèi)。

（3）輸入信號(hào)功率足夠大，由此產(chǎn)生幅度較大的互調(diào)干擾成分。

6）來自鄰頻信號(hào)的干擾

鄰頻干擾是來自相鄰的或相近的頻道干擾，相近頻道可以是相隔幾個(gè)或幾十個(gè)頻道。包括2方面：一是由于工作頻帶緊隨的若干頻道的寄生邊帶功率、寬帶噪聲、雜散輻射等產(chǎn)生的干擾；二是指移動(dòng)通信網(wǎng)內(nèi)，一組空間離散的鄰近工作頻道引入的干擾，如果鄰信道載波功率過大，就會(huì)對(duì)有用信號(hào)產(chǎn)生干擾。因?yàn)镚SM-R系統(tǒng)使用的頻率有限，所以采用在4MHz帶寬內(nèi)分成20個(gè)信道，每個(gè)信道占用200kHz。根據(jù)規(guī)定GSM-R系統(tǒng)的200kHz鄰道干擾保護(hù)比要求為C/I≥-6dB。400kHz鄰道干擾保護(hù)比為C/I≥-38dB。但是由于設(shè)備硬件質(zhì)量的原因，相鄰信道之間可能相互干擾，形成鄰頻干擾。

7）來自同頻信號(hào)的干擾

為了提高GSM-R系統(tǒng)的頻率利用率，鐵路沿線多個(gè)不相鄰的小區(qū)使用相同的頻率，當(dāng)兩個(gè)使用相同信道頻率的小區(qū)距離過近時(shí)，一個(gè)小區(qū)的通信信號(hào)就可能會(huì)對(duì)另一個(gè)小區(qū)的信號(hào)產(chǎn)生干擾，這就是同頻干擾。這些無用信號(hào)與有用信號(hào)一樣在超外差接收機(jī)中經(jīng)放大變頻而落入中頻通帶內(nèi)，因此只要在接收機(jī)輸入端存在同頻干擾，接收系統(tǒng)就無法濾除和抑制。存在同頻干擾的頻率范圍為f±B /2，f為有用信號(hào)載波頻率，B為接收機(jī)中頻帶寬。

8）多徑干擾

無線射頻信號(hào)的傳輸由于路徑的不同，接收機(jī)接收到的信號(hào)是經(jīng)各種傳播路徑的直射波、反射波、繞射波和散射波等的向量和。由于GSM-R信號(hào)的波長很小，所以，較小的傳播時(shí)延就會(huì)產(chǎn)生較大的相位變化，形成多徑干擾。

3.2 下列原因造成信號(hào)對(duì)CTCS-3 級(jí)列控干擾

1）越區(qū)切換對(duì)CTCS-3 級(jí)列控的干擾

由于GSM-R系統(tǒng)無線信號(hào)在傳播的過程中存在著反射、繞射和散射等現(xiàn)象以及路徑損耗、多徑效應(yīng)、陰影效應(yīng)及多普勒效應(yīng)等而引起的信號(hào)衰減。為保證無線傳輸信號(hào)質(zhì)量，哈大高鐵GSM-R無線系統(tǒng)采用了單網(wǎng)交織覆蓋方式，鐵路沿線每隔3km便安裝一個(gè)高度為35米左右的BTS無線鐵塔，滿足兩個(gè)小區(qū)重疊區(qū)內(nèi)的信號(hào)電平大于-90dBm的要求。由于小區(qū)距離近，時(shí)速300千米以上的動(dòng)車車載臺(tái)在多徑環(huán)境中接收信號(hào)瞬時(shí)會(huì)出現(xiàn)多普勒擴(kuò)展現(xiàn)象，在重疊區(qū)容易產(chǎn)生越區(qū)切換時(shí)延大、頻繁切換、切換前后鏈路中斷率、接收信號(hào)信噪比和誤碼率高的問題，這些都會(huì)影響CTCS-3 級(jí)列控信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性。包括降低 RBC 和 OBU 之間列控信息傳輸實(shí)時(shí)性，降低CTCS-3 級(jí)系統(tǒng)運(yùn)行效率和控制精度。經(jīng)過研究表明，在兩小區(qū)的重疊區(qū)內(nèi)，列控信息傳輸質(zhì)量較差，會(huì)造成較高的列控系統(tǒng)故障發(fā)生幾率和更為嚴(yán)重的列控系統(tǒng)故障，嚴(yán)重降低了 CTCS-3 級(jí)系統(tǒng)安全性能。所以保證GSM-R網(wǎng)絡(luò)正常，特別是提高重疊區(qū)內(nèi)信號(hào)傳輸質(zhì)量，對(duì)保證列控系統(tǒng)的可靠性、安全性、工作效率有著決定性的作用。

2）數(shù)據(jù)幀重傳對(duì)CTCS-3 級(jí)列控的干擾

為了保證列控信息傳輸可靠性，數(shù)據(jù)鏈路層采用多選擇性重傳機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)車載臺(tái)和基站對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟铄e(cuò)控制。數(shù)據(jù)重傳機(jī)制分為 2 個(gè)部分。

⑴ 若接收端接收到失序的數(shù)據(jù)幀，則向發(fā)送端發(fā)送選擇性拒絕幀，并請(qǐng)求重傳所有失序幀前未接收或發(fā)生錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)幀。發(fā)送端根據(jù)選擇性拒絕幀中失序幀的幀號(hào)，向接收端重傳數(shù)據(jù)幀，待確認(rèn)接收端重傳數(shù)據(jù)幀接收完成后，再向其傳送下一個(gè)數(shù)據(jù)幀。

⑵ 發(fā)送端發(fā)送完一個(gè)數(shù)據(jù)幀后會(huì)啟動(dòng)定時(shí)器T1，若超出 T1時(shí)間還未接收到接收端回饋的接收確認(rèn)幀，則向接收端發(fā)送監(jiān)控命令幀，接收端接收到監(jiān)控命令幀后，會(huì)向發(fā)送端發(fā)送包括未接收數(shù)據(jù)幀序號(hào)等信息的監(jiān)控命令幀，發(fā)送端根據(jù)監(jiān)控命令幀中的信息發(fā)起重傳。所以列控信息的傳輸時(shí)延除了路徑傳輸時(shí)延以外，還有錯(cuò)誤數(shù)據(jù)幀所帶來的數(shù)據(jù)幀重傳延遲。頻繁的重傳延遲會(huì)造成 RBC 和OBU之間列控信息交互中斷，導(dǎo)致列車緊急制動(dòng)以及降級(jí)運(yùn)行。

以上的各種對(duì)GSM-R系統(tǒng)無線信號(hào)的干擾，會(huì)導(dǎo)致 RBC和 OBU（車載列控設(shè)備）之間列控信息傳輸時(shí)延增加，降低了 CTCS-3級(jí)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、效率、控制精度、可靠性和安全性。

4 結(jié)束語

綜上所述，我們意識(shí)到GSM-R系統(tǒng)是CTCS-3 級(jí)列控系統(tǒng)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，在GSM-R系統(tǒng)設(shè)備日常的維護(hù)中，應(yīng)該綜合采用各種維修手段，通過實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，不斷地網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，高質(zhì)量的設(shè)備維修，精準(zhǔn)的故障處理才能保障GSM-R系統(tǒng)設(shè)備和信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定，杜絕或減少無線信號(hào)干擾，才能保障CTCS-3級(jí)系統(tǒng)的正常使用，從而保證高鐵列車的安全和正點(diǎn)。

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（作者單位：中國鐵路沈陽局集團(tuán)有限公司科學(xué)技術(shù)研究所）